自修復智能混凝土簡支梁試驗研究

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作為建筑結構最主要的材料之一，混凝土經(jīng)歷著由普通混凝土向高強與高性能混凝土的發(fā)展，目前又朝著多功能和智能化方向發(fā)展^[1]。混凝土材料特別是高強與高性能混凝土，其固有缺陷是脆性大，容易開裂?；炷恋牧芽p嚴重影響結構的耐久性，在一定條件下導致結構嚴重破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。過去，對混凝土材料的修復主要是事后維修，隨著現(xiàn)代社會向智能化發(fā)展，這種被動的修補、加固已經(jīng)不能適應現(xiàn)代多功能和智能建筑對混凝土材料的要求。研究和開發(fā)自修復智能混凝土，使其能主動、自動地對損傷部位進行修復，恢復并提高混凝土材料的性能，成為一個非常令人關注和急需研究的問題^[2]。

    智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應、自修復特性的多功能材料。自九十年代中期，國內(nèi)外先后開展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些有價值的研究成果。如同濟大學研究了碳纖維水泥基材料特性等，哈爾濱工業(yè)大學研究了光纖傳感智能混凝土，國外還對水泥基磁性復合材料、自動調節(jié)溫度與濕度的水泥基復合材料等進行了研究。但是，有關自修復混凝土的研究還很少，如何快速、適時地愈合混凝土材料的內(nèi)部損傷，以及對自修復混凝土機理的研究，目前只有美國、日本等少數(shù)國家進行研究，且處于實驗室探索階段 ^[3]~[8]。     自修復智能混凝土是模仿動物的骨組織結構受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理，采用修復膠粘劑和混凝土材料相復合的方法，對材料損傷破壞具有自修復和再生的功能，恢復甚至提高材料性能的一種新型復合材料。其具有自修復行為混凝土的智能模型為：在混凝土基體中摻入內(nèi)含修復膠粘劑的修復纖維管，從而形成了智能型仿生自修復神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。在外界作用下，混凝土基體一旦開裂，管內(nèi)裝的修復劑流出滲入裂縫，由化學作用修復劑固結，從而抑制開裂，修復裂縫^[3]。     本文采用免振自密實混凝土作為智能混凝土的基材，對內(nèi)置空心玻璃纖維封入裂縫修補劑的鋼筋混凝土簡支梁的自修復效果進行了試驗研究，使其具有裂縫自我修復功能，并能恢復甚至提高混凝土材料的性能。     1、內(nèi)置空心玻璃纖維的自修復免振搗混凝土     內(nèi)置修復空心玻璃纖維的裂縫自修復混凝土，是模仿生物傷口“破裂—流血—凝結—愈合”的過程，把生物材料的這種自愈合能力應用在混凝土中。即在混凝土構件受拉區(qū)分層布置一些注有高分子修復用膠粘劑的空心玻璃管，當混凝土構件受拉開裂時，這些玻璃管也隨之破裂，其中的修復膠粘劑迅速流到裂縫處并隨著時間而固化、硬結,從而實現(xiàn)混凝土裂縫的自修復。     由于自修復混凝土是在內(nèi)部摻入了裝載有修復膠粘劑的玻璃纖維，若對混凝土進行振搗, 不但會導致內(nèi)置于混凝土中的空心玻璃纖維因為受擾動而浮出混凝土的表面，而且還容易導致它們破碎。當玻璃纖維浮出表面，就造成原本應置于受拉區(qū)以作為修補裂縫用的纖維管跑位，達不到修復的目的；而內(nèi)置玻璃纖維的過早破壞更是造成了膠粘劑的流失。免振搗自密實混凝土是在沒有振搗的情況下僅靠自重就能穿越密集鋼筋、在復雜模板中填充成型并且不產(chǎn)生離析，具有均勻自密實成型性能，同時硬化后具有優(yōu)良的力學性能和耐久性能。因此采用免振搗自密實混凝土作為基材，從根本上解決了自修復混凝土構件制作的技術難題。     2、試驗研究     2.1 試驗目的     為了研究修復膠粘劑對免振搗自密實混凝土構件的修復效果，本文共設計了30根簡支梁（尺寸、配筋都相同，澆筑強度等級相同的自密實混凝土）進行三分點簡支梁靜力純彎試驗。觀察裂縫開展情況和破壞形態(tài)，并分析比較在存放膠粘劑的玻璃管數(shù)量不同時，以及不同的膠粘劑品種下，簡支梁修復前后的承載力變化。     2.2 自密實混凝土配合比及力學性能     試驗采用福建水泥股份有限公司生產(chǎn)的建福牌32.5R普通硅酸鹽水泥；福州閩江中砂，細度模數(shù)2.23，表觀密度為2650kg/m³；福建閩侯碎石，5～20mm連續(xù)級配，表觀密度為2665Kg/m³；福州閩江清潔飲用水；漳州后石電廠的Ⅰ級粉煤灰；以FDN萘系高效減水劑為主的復合外加劑。自密實混凝土的膠凝材料總量為500 kg/m³，砂率45％，水膠比 0.36。28d立方體抗壓強度50.23MPa，軸心抗壓強度37.90 MPa，劈拉強度3.44 MPa，彈性模量3.51×10⁴MPa。     2.3 自修復混凝土膠粘劑的選用     為了保證在裂縫初開裂時，內(nèi)置玻璃纖維的膠粘劑能夠迅速流到裂縫處修復混凝土裂縫，要求修復膠粘劑可實現(xiàn)的填充縫隙要盡可能小，所以要求膠粘劑的粘度較小，具有較好的流動性；固化條件簡單，有較高的粘接強度，化學性質穩(wěn)定等?？紤]這幾方面的要求，本文選用 －氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑以及聚氨酯膠粘劑作為自修復混凝土用的修復膠粘劑。     自修復混凝土構件制作時，為了防止注入玻璃管的膠粘劑出現(xiàn)溢漏現(xiàn)象和管內(nèi)的膠水固化，不讓多余的空氣進入玻璃管中，必須做好玻璃管端口的密封措施。     2.4自修復自密實混凝土簡支梁的制作     自修復自密實混凝土簡支梁的澆注方法不同于普通自密實混凝土構件的制作，因為它內(nèi)置了空心玻璃管作為自修復的管道，在修復空心玻璃管內(nèi)分別注入 -氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑和聚氨酯膠粘劑，因此也就牽涉到了修復空心玻璃管的位置如何正確定位于混凝土簡支梁中的技術問題。試件采用木模成型，平放澆筑，室外養(yǎng)護。     自修復自密實混凝土簡支梁的澆注過程如下：     1）在模板制作好后，用白色筆在模板內(nèi)側兩邊各畫三條線，作為混凝土梁中玻璃管的定位線，而和第一層玻璃管相同截面高度處的鋼筋則擱置在與保護層厚度相同的墊塊上。     2）將拌好的自密實混凝土鏟入簡支梁模板中，由于自密實混凝土可以在無擾動下實現(xiàn)自流平，因此當自密實混凝土在模板中的高度到達白線記號時，將注好膠粘劑的玻璃管放入混凝土中，接著再鏟入混凝土，用同樣的方法令第二、三層玻璃管在混凝土簡支梁截面中的高度與第二條、第三條白線對齊，這樣就可保證各層玻璃管在梁截面中定位的準確。自密實混凝土填滿整個梁模板后，再小心抬至平整的場地，避免擾動。     2.5 測試內(nèi)容和加載制度     根據(jù)試驗目的，本次試驗主要測試內(nèi)容包括：①簡支梁試件在修復前的開裂荷載；②簡支梁試件在修復后的開裂荷載；③簡支梁試件在修復前的破壞荷載；④簡支梁試件在修復后的破壞荷載；⑤裂縫的分布情況；⑥第一條裂縫出現(xiàn)時候的荷載大?。虎咦畲罅芽p的寬度；⑧構件的破壞位置。 試驗采用兩點對稱的三分點加載的方式，空心玻璃長管的數(shù)量、分布和鋼筋的配置。     由于油壓千斤頂在加載結束以后還有一個慣性力，在荷載較小時，這個慣性力相對于小荷載是很大的，這樣就會造成荷載無法控制而超載的現(xiàn)象。因此本次試驗的加載設備采用機械千斤頂，由人工使用杠桿來施壓，便于控制力加載的速度和大小。     整個過程由人工對機械千斤頂加載，用連接于靜態(tài)電阻應變儀的應變值推算壓力。在裂縫開裂以前，每級加載值不宜大于屈服荷載的20％。裂縫開裂以后，每級荷載不宜大于屈服荷載值的10％。在接近預估開裂荷載時，為使實際開裂荷載較為準確，應減小加載幅度，裂縫出現(xiàn)后恢復至原來一級的荷載值加載。在試件裂縫出現(xiàn)后，每一級加載后都停留15～20min左右，以便裂縫發(fā)展穩(wěn)定下來，然后用水筆在梁上畫出裂縫的分布，并用讀數(shù)顯微鏡觀測裂縫的寬度。     當加載到接近開裂荷載時，在加載后待撓度發(fā)展的時間間隙，可以陸續(xù)聽到簡支梁試件側面和底面所發(fā)出的脆響，這些聲音一部分是混凝土的開裂，一部分是內(nèi)部玻璃管的脆斷，混凝土的開裂聲較為清脆，而玻璃管由于埋置于混凝土中，其破裂的聲音較沉悶。     當所加荷載接近破壞荷載時，隨著主裂縫的延伸和加寬，將會有膠粘劑從裂縫處流出，填充和修復裂縫，持荷一定時間后，把簡支梁試件從架上撤下來，等待對構件進行修復后的再次加載。     當整批構件第一次加載的試驗全部完成后，放置5～6d，令 -氰基丙烯酸酯膠粘劑、氯丁橡膠膠粘劑和聚氨酯膠粘劑完全固化，達到最大強度，再對構件進行第二次加載。在第二次加載過程中，必須注意第一次加載有膠粘劑流出的裂縫是否再次開裂；第一次加載的沒有膠粘劑流出的裂縫是否在第二次加載時流出膠粘劑；第二次加載時是否出現(xiàn)新的裂縫及是否有膠粘劑流出。     2.6 試驗結果及分析     內(nèi)置 -氰基丙烯酸酯膠粘劑簡支梁構件修復前后的承載力見表1。 表1 內(nèi)置 -氰基丙烯酸酯膠粘劑簡支梁修復前后的承載力 Table1. Comparisons of the strength of beams with α-cyanoacrylate adhesive before and after repairing 玻璃管幾何參數(shù) 試件編號 管道數(shù) 第一次加載最大荷載(kN) 修復后最大荷載(kN) 承載力恢復率(%) 承載力恢復率平均值(%) 幾何參數(shù) 膠粘劑 壁 厚0.6mm   管   徑 8mm -氰基丙烯酸 酯 502-2-1 2 435 429 98.62 99.01 502-2-2 435 433 99.54 502-2-3 430 425 98.84 502-5-1 5 425 421 99.06 99.15 502-5-2 435 433 99.54 502-5-3 425 420 98.82 502-7-1 7 415 379 91.33 91.55 502-7-2 425 381 89.65 502-7-3 425 398 93.65 無玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷載指的是荷載加不上去，開始往回退時壓力傳感器的壓力值。       從表1中的數(shù)值可以看出，使用較少管道數(shù)時，簡支梁試件的承載力恢復得較多，這是因為對于 -氰基丙烯酸酯膠粘劑，要達到比較好的粘接質量，其膠層應均勻，而且其膠層也不應太厚，膠粘劑太多其粘接效果反而不好。如內(nèi)置玻璃纖維七管道對梁受拉區(qū)截面還是有一定削弱的，而且其出膠量太多反而會影響膠粘劑的修復效果，反而不如雙管道或者五管道的。     第一次加載中， -氰基丙烯酸酯膠粘劑流出試件底面，可以看出，在簡支梁試件底面有裂縫出現(xiàn)的地方，都有膠粘劑滲出。5d后，進行第二次的加載試驗，使用 -氰基丙烯酸酯膠粘劑作為修復膠粘劑的構件都沒有出現(xiàn)新的裂縫，而且原有的已經(jīng)修復的裂縫基本上都在第二次加載時再次開裂。     氯丁橡膠膠粘劑簡支梁構件修復前后的承載力見表2。從表中的數(shù)值可以看出，采用氯丁橡膠膠粘劑，其修復后的承載力都有不同程度的上升。在試驗的過程中，當主裂縫流出膠粘劑后，立即停止加載，并持荷20min，也不見其它裂縫有膠流出，可見經(jīng)過稀釋的氯丁橡膠的流出對裂縫的寬度還是有嚴格要求的，只有當裂縫發(fā)展到一定的寬度時，膠粘劑才會流出。     在第二次的加載中，部分構件在底面有新的裂縫出現(xiàn)，新裂縫的出現(xiàn)是一個可喜的現(xiàn)象，說明了底部裂縫得到了有效的修復，九根試件中,五管道的構件其原有主裂縫都得到修復,其他裂縫有新的膠粘劑流出，說明內(nèi)置五管道的構件其修復能力較好。   表2 內(nèi)置氯丁橡膠膠粘劑簡支梁修復前后的承載力 Table 2 Comparisons of the strength of beams with neoprene adhesive before and after repairing 玻璃管幾何參數(shù) 試件編號 管道數(shù) 第一次加載最大荷載(kN) 修復后最荷載(kN) 承載力恢復率(%) 承載力恢復率平均值(%) 幾何參數(shù) 膠粘劑 壁 厚0.6mm   管   徑 8mm 氯 丁 橡 膠 LD2-1   2 400 447.5 111.88 104.81 LD2-2 425 450 105.88 LD2-3 450 435 96.67 LD5-1   5 400 437 109.25 108.07 LD5-2 435 449 103.22 LD5-3 400 447 111.75 LD7-1   7 400 415 103.75 99.16 LD7-2 425 423 99.53 LD7-3 430 405 94.19 無玻璃管 NB-1 0 450       NB-2 425 NB-3 475 注：表中最大荷載指的是荷載加不上去，開始往回退時壓力傳感器的壓力值。     聚氨酯膠粘劑簡支梁構件修復前后的承載力見表3，從表中的數(shù)值可以看出，采用聚氨酯粘劑作為自修復混凝土構件的膠結材料，其修復后的承載力隨著修復管道的增多而增大，配制七根管道的時候，修復后的承載力恢復率最高，達106.42％，這說明使用聚氨酯膠粘劑作為修復膠粘劑時，要使構件得到較好的修復，必須保證其膠粘劑量的足夠。